沁水盆地山西组煤岩的生气热模拟实验研究

　　摘 要：热模拟实验是研究烃源岩有机质成烃演化的重要手段。为了客观了解沁水盆地高演化煤系烃源岩的生烃特征和生气性能，采用封闭高压釜体系对沁水盆地山西组煤岩样品进行了生气热模拟实验。结果表明：沁水盆地山西组煤岩样品可以生成大量的气态烃（其产率高达226 m3/t），是良好的气源岩； 随着热模拟温度的增加， 气态烃产率增大， 气态烃产率表现出“两急两缓”的增加模式， 高演化阶段以产甲烷为主， 主生气期为热模拟温度450～600 ℃（Ro=1.2%～2.7%）；温度影响煤岩热解气组分碳同位素值的变化，总体上甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值随热模拟温度升高有逐渐变重的趋势，并且相同热模拟温度时具有δ13C1<δ13C2<δ13C3的特征，符合气态烃碳同位素正序系列。

　　关键词：沁水盆地；热模拟实验；山西组煤岩；生烃特征；气态烃；碳同位素

　　中图分类号：TQ530 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0006-06

　　地质体中烃源岩有机质的生烃是一个复杂、漫长的过程，同时由于自然演化过程在地质条件下是不可能再重现的，所以为了认识烃源岩的生烃过程、生烃机理，阐述生烃模式及评价源岩生烃潜力和获取资源评价参数，只能通过室内热模拟实验的方法来实现。尽管实验室模拟条件与实际的地质过程有较大的差距，但是综合温度、时间、压力、催化剂等对有机质演化和成烃产生影响的诸因素分析，目前普遍认为温度是其最主要的影响因素[1-5]389，并且有机质的热降解总体符合平行一级反应，其热解成油气的速率主要依赖于温度[6]14，以“温-时互补效应为理论基础的烃源岩热模拟实验结果与自然演化剖面有机质成烃结果也具有很高的一致性[6-7]16，因此，热模拟实验技术已成为研究烃源岩有机质成烃演化的主要手段。

　　沁水盆地煤炭资源丰富，石炭-二叠纪煤系地层煤岩以高变质烟煤和无烟煤为主，为我国煤层气勘探开发的重点地区，并且在该盆地南部发现了我国第一个大型煤层气田[8]。沁水盆地太原组和山西组煤层煤岩有机质成熟度普遍较高，其镜质组反射率Ro值主要分布在1.6%～4.5%之间[9]。通过热模拟实验手段，较为普遍的是研究低成熟度煤系烃源岩的成烃规律及成烃模式，但对高成熟度煤系烃源岩成烃研究较少。目前，利用生烃动力学方法，一些学者研究过不同类型烃源岩的生烃能力[10-12]，表明高演化煤岩也具有良好的生气性能。所以，本文采用封闭体系的热模拟实验技术，对沁水盆地高演化山西组煤岩样品的生烃特征和生气性能进行研究，阐述高成熟度煤岩的生气模式，旨在为沁水盆地煤系地层天然气资源潜力评价与煤层气勘探开发提供理论依据。

　　1 样品与实验方法

　　1.1 样品

　　研究样品为采自沁水盆地霍县的晚二叠世山西组（P1s）煤层煤岩，其基本的地球化学特征如表1所示。山西组煤岩样品的有机碳含量（TOC）为62.61%，有机质类型为Ⅲ型有机质，镜质组反射率Ro为0.86%，其碳、氢、氧元素组成：H/C原子比为0.73，O/C原子比为0.08。该样品显微组分组成中镜质组（V）含量较高，惰质组（I）次之，壳质组+腐泥组（E+S）含量较低，其含量分别为：52%、36%和12%。实验样品被粉碎100目（0.147 mm），以备热模拟实验所用。

　　1.2 实验方法

　　本次热模拟实验采用了封闭的高压釜体系，实验仪器主要由反应釜、温控系统和热解气及凝析油（或称轻烃）收集分离系统组成（图1）。其中反应釜类型为大连自控设备厂生产的GCF-0.25L型，设计压力19.6 MPa；温控系统核心为XMT-131数字显示温度调节仪；热解气、凝析油分离收集系统由液氮冷却的液体接受管，冰水冷却的螺旋状冷凝管及带刻度的气体收集计量管组成。

　　将已粉碎的样品（30～50 mg）放入反应釜，密封后，为了检验密封性，先充入5～6 MPa的N2，待压力恒定，释放氮气并用真空泵抽真空，再充N2（反复抽放3次），最后抽成真空，进行程序加热。由于实验样品成熟度较高，故实验起始温度设置为300 ℃，此后每隔50 ℃设置一个待测温度点，即300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃八个温度点，每个温度点恒温24 h。待每个温度点热模拟结束时，冷却至250 ℃（釜内温度）即可放气。热解气依次通过液氮冷却的液体接受管和冰水冷却的螺旋管，用计量管收集计量热解气的体积，热解气分别用HP5890型气相色谱仪和MAT-251型同位素质谱仪进行气体组分分析和气态烃碳同位素分析，最后再用MPV-3型显微镜分光光度计测定冷却的各热模拟温度点残渣煤样的镜质组反射率Ro。1.温度控制器；2.真空表；3高压釜；4.样品腔；5.冷凝管；6.凝析油收集管；7.液氮瓶；8.气体收集瓶；9.水准瓶；10.真空计；11.真空泵；12.液氮；13.饱和盐水；14.冰块